Tỏc dụng nhiệt của dũng điện được ứng dụng từ rất sớm để chế tạo cỏc dụng cụ đốt núng bằng dũng điện như đốn điện sợi đốt, bếp điện, mỏ hàn điện, bàn là... Mặt khỏc mỗi dõy dẫn đều cú điện trở rd nờn sẽ tiờu tỏn điện năng dưới dạng nhiệt, gọi là năng lượng tổn hao, làm giảm hiệu suất của thiết bị. Nhiệt lượng tỏa ra làm núng vật dẫn và cú thể hư hỏng cỏch điện.
Khi hai cực của nguồn điện chập nhau qua một điện trở khụng đỏng kể, dũng điện trong mạch sẽ vượt quỏ trị số cho phộp nhiều. Hiện tượng đú gọi là ngắn mạch (hay chập mạch). Khi ngắn mạch nhiệt độ dõy dẫn trong cỏc cuộn dõy đạt tới trị số nguy hiểm. Để bào vệ chỳng khụng bị núng quỏ, phương phỏp đơn giản nhất là dựng cầu chỡ hoặc rơle nhiệt.
1.4. Định luật Faraday (hiện tượng; định luật và ứng dụng).
a. Hiện tượng.
Ta nhỳng hai điện cực bằng than vào dung dịch đồng sunfat (CuSO4) rồi cho dũng điện chạy qua sau mấy phỳt ta thấy xuất hiện trờn điện cực nối với cực õm của nguồn điện một lớp đồng nguyờn chất mỏng.
Như vậy dũng điện đi qua dung dịch muối đồng đó giải phúng đồng, đú là hiện tượng điện phõn.
Dũng điện qua dung dịch càng lớn và càng lõu thỡ lượng kim loại giải phúng ở õm cực càng lớn. Như vậy giữa điện tớch qua dung dịch điện phõn và lượng chất được giải phúng cú mối quan hệ tỉ lệ. Quan hệ này đó được Faraday kết luận từ thực nghiệm vào cỏc năm 1833-1834.
b. Định luật Faraday về điện phõn.
Định luật Faraday thứ nhất: “Khối lượng m của chất được giải phúng ra ở điện cực của bỡnh điện phõn tỉ lệ với điện tớch q chạy qua bỡnh đú”.
m=k.q
Trong đú: m là khối lượng của chất được giải phúng ở điện cực. q=I.t là điện tớch qua dung dịch điện phõn (culụng).
k là đương lượng điện húa, phụ thuộc vào bản chất của chất được giải phúng ra ở điện cực.
Trong hệ SI, đơn vị đương lượng điện húa là kg/C. Vớ dụ: với bạc k = 1,118 mg/C.
Định luật Faraday thứ hai: Faraday đó nhận xột rằng, đương lượng điện húa k của cỏc chất khỏc nhau luụn luụn tỉ lệ thuận với khối lượng mol nguyờn tử A của chất thu được ở điện cực và tỉ lệ nghịch với húa trị n của chất ấy. Do đú định luật Faraday thứ hai được phỏt biểu như sau: “Đương lượng điện húa k của nguyờn tố tỉ lệ với đương lượng gam của nguyờn tố đú”.
là hệ số tỉ lệ (g/C)
Vớ dụ 2.2: Bạc cú A=108, n=1 vậy
(g/C) = 1,118 mg/C Cụng thức biểu thị cả hai định luật Faraday:
hay
Với I là cường độ dũng điện khụng đổi đi qua bỡnh điện phõn (A), t là thời gian dũng điện chạy qua bỡnh (s).
c. Ứng dụng:
Hiện tượng điện phõn được ứng dụng để điều chế húa chất, để tinh chế kim loại, mạ điện, đỳc điện…
- Điều chế húa chất: Clo, hidro và xỳt (NaOH) là những nguyờn liệu quan trọng của cụng nghiệp húa chất. Việc điều chế cỏc nguyờn liệu này được thực hiện bằng cỏch điện phõn dung dịch muối ăn (NaCl) tan trong nước với điện cực bằng
graphit hoặc bằng kim loại khụng bị ăn mũn. Kết quả điện phõn cho ta xỳt tan dung dịch và cỏc khớ hidro và clo bay ra.
- Luyện kim: Người ta dựa vào hiện tượng dương cực tan để tinh chế kim loại. Người ta đỳc đồng nấu từ quặng ra (cũn chứa nhiều tạp chất) thành cỏc tấm. Dựng cỏc tấm này làm cực dương trong bỡnh điện phõn đựng dung dịch đồng sunfat. Khi điện phõn cực dương tan dần, đồng nguyờn chất bỏm vào cực cực õm, cũn tạp chất lắng xuống đỏy.
Cỏc kim loại khỏc (như nhụm, magie..) và nhiều húa chất cũng được điều chế trực tiếp bằng phương phỏp điện phõn.
- Mạ điện: mạ điện là dựng phương phỏp điện phõn để phủ một lớp kim loại (thường là kim loại khụng gỉ như crom, niken, vàng, bạc…) lờn những đồ vật bằng kim loại khỏc. Khi đú vật cần được mạ dựng làm cực õm, kim loại dựng để mạ để làm cực dương, cũn chất điện phõn là dung dịch muối của kim loại dựng để mạ.
- Đỳc điện: người ta làm khuụn của vật định đỳc bằng sỏp ong hay bằng một chất khỏc dễ nặn rồi quột lờn khuụn một lớp than chỡ (graphit) mỏng để bề mặt khuụn trở thành dẫn điện. Khuụn này được dựng để làm cực õm, cũn cực dương thỡ làm bằng kim loại mà ta muốn đỳc và dung dịch điện phõn là muối của kim loại đú. Khi đặt một hiệu điện thế vào hai điện cực đú, kim loại sẽ kết thành một lớp trờn khuụn đỳc, dày hay mỏng là tựy thuộc vào thời gian điện phõn. Sau đú người ta tỏch lớp kim loại ra khỏi khuụn và được vật cần đỳc. Đỳc điện là phương phỏp đỳc chớnh xỏc, do đú cỏc bản in trước đõy thường được chế tạo bằng phương phỏp này.
1.5. Hiện tượng nhiệt điện (hiện tượng và ứng dụng).
a. Hiện tượng.
Mỗi kim loại đều cú mật độ điện tử tự do (là số điện tử tự do trong một đơn vị thể tớch). Mật độ này ở cỏc kim loại khỏc nhau sẽ khỏc nhau. Khi cho 2 kim loại khỏc nhau K1, K2 tiếp xỳc với nhau thỡ cú sự khuếch tỏn điện tử qua chỗ tiếp xỳc. Utx K2 K1 + + + ++ - - A K1 K2 B G Utx2 D Utx1 C
Hỡnh 2.2. Sự hỡnh thành điện thế tiếp xỳc.
Giả sử kim loại K1 cú mật độ điện tử tự do lớn hơn K2 . Khi đú điện tử ở K1 sẽ khuếch tỏn sang K2, kết quả là K1 sẽ tớch điện (+) vỡ thiếu điện tử, K2 sẽ tớch điện (-) vỡ thừa điện tử, và hỡnh thành một điện trường tại mặt tiếp xỳc, cú một hiệu điện thế Utx gọi là hiệu điện thế tiếp xỳc. Hiệu điện thế tiếp xỳc phụ thuộc vào cỏc yếu tố sau:
Bản chất của kim loại được tiếp xỳc: Kim loại khỏc nhau thỡ mật độ điện tử khỏc nhau và do đú mức độ khuếch tỏn điện tử qua lớp tiếp xỳc cũng khỏc nhau.
Nhiệt độ chỗ tiếp xỳc: Khi nhiệt độ tăng thỡ mức khuếch tỏn cũng tăng lờn. Bằng thực nghiệm người ta thấy trong khoảng nhiệt độ khụng lớn lắm (vài trăm độ) hiệu điện thế tiếp xỳc tỷ lệ với nhiệt độ tuyệt đối của chỗ tiếp xỳc.
Trong đú: T là nhiệt độ tuyệt đối của chỗ tiếp xỳc (oK), To(oK) = 273+(oC) C là hệ số nhiệt phụ thuộc vào kim loại tiếp xỳc.
Vớ dụ 2.3: đồng- congstangtan /độ, Platin- platinpharodi /độ Để lấy được hiệu điện thế tiếp xỳc, ta phải nối kớn mạch cả 2 đầu và hỡnh thành 2 mối tiếp xỳc A &B (thực ra ta cú nhiều hơn mối tiếp xỳc, chẳng hạn A,B,C,D… nhưng cỏc mối C, D… khụng ảnh hưởng gỡ đến kết quả ta xột nếu chỳng cú cựng nhiệt độ). Gọi nhiệt độ mối A là T1, mối B là T2 thỡ hiệu điện thế tiếp xỳc ở cỏc mối là:
Trong mạch kớn sẽ cú một sức điện động (s.đ.đ) gọi là s.đ.đ nhiệt điện E bằng hiệu của 2 hiệu thế tiếp xỳc.
“S.đ.đ nhiệt điện tỷ lệ với độ chờnh lệch nhiệt độ của 2 đầu tiếp xỳc và phụ thuộc vào bản chất cỏc kim loại tiếp xỳc nếu thỡ Etx = 0. Chớnh vỡ thế nếu coi cỏc mối tiếp xỳc C và D cựng nhiệt độ thỡ s.đ.đ nhiệt điện do 2 mối đú tạo ra bằng 0. Dũng điện do s.đ.đ nhiệt sinh ra gọi là dũng điện nhiệt.
b. Ứng dụng.
Hiệu ứng nhiệt điện được ứng dụng để chế tạo pin nhiệt điện hay cặp nhiệt điện. Pin nhiệt điện gồm 2 thanh kim loại khỏc nhau (hay bỏn dẫn) được hàn với nhau ở 1 đầu đặt vào nơi cú nhiệt độ cao (gọi là đầu núng), cũn đầu kia đặt ở nhiệt độ thấp (gọi là đầu lạnh). S.đ.đ nhiệt điện của pin được dựng để đo lường.
Hỡnh vẽ là 1 nhiệt kế dựng pin nhiệt điện: Đầu a đặt vào nơi cú nhiệt độ cần đo, đầu b tiếp xỳc với mụi trường. Coi nhiệt độ mụi trường là khụng đổi thỡ s.đ.đ của pin tỷ lệ với nhiệt độ của điểm a nờn cơ cấu đo C sẽ cho biết nhiệt độ cần đo.
a
Hỡnh 2.3. Đo nhiệt độ bằng pin nhiệt điện.